MŰSZAKI KÉMIA

ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK

2. REAKCIÓKINETIKA

Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

Reakciókinetika Mitől függ a reakciósebesség és hogyan tudjuk befolyásolni ?

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O (g) ΔG

1 mol ● -910 kJ/mol 6 mol ● - 394 kJ/mol 6 mol ● -288 kJ/mol

0 = -3182 kJ Ezek szerint a szőlőcukornak el kellene égni szobahőmérsékleten !

Igen, de nem ég el, mivel a folyamat kinetikailag gátolt A termodinamika csak a lehetőséget adja meg. Az utat nekünk kell megtalálni !

Aktivált állapot elmélete

•

Kémiai reakció létrejöttéhez szükséges

–

Ütközzenek a résztvevők

– –

Megfelelő energiával történjen az ütközés Megfelelő irányultságú legyen az ütközés Ez anyag és energia koncentrációt igényel, tehát entrópia csökkenés kell, hogy történjen.

Ez ΔG rendszer pozitív értékét jelenti tehát a reagáló anyagoknak egy energia gátat kell leküzdeniük.

Reakciók molekularitása

•

Monomolekuláris reakciók A ----------



termékek

• •

Bimolekuláris reakciók A + A ----------



termékek A + B ----------



termékek

• • •

Trimolekuláris reakciók A + A + A ----------



termékek A + A + B ----------



termékek A + C + B ----------



termékek Ezt a három típust nevezzük elemi reakcióknak Tovább nem folytatható, mivel nincs gyakorlati valószínűsége, hogy négy molekula egyidejűleg hatásosan ütközzön.

Reakciósebesség Időegység alatt bekövetkező koncentráció változás: Monomolekuláris reakcióknál v = k [A] Bimolekuláris reakcióknál v = k [A] 2 vagy v = k [A][B] Trimolekuláris reakcióknál v = k[A] 3 vagy v = k[A][B] 2 …. k = reakciósebességi állandó v : pillanatnyi reakciósebesség Elemi reakcióknál a sebességi egyenlet felírható a reakcióegyenletből

Összetett reakciók reakciósebessége 2 A + 4 B + 5 C = E + 6 D ▼ v = k [A] a ● [B] b ● [C] c a, b, c : kitevők tetszőleges számok, részrendek, a reakció részrendjei csak kísérletileg határozhatók meg a+b+c = a reakció rendűsége, bruttó rendje v = k [A] 4 ● [B] -1,2 ● [C] 0 Ennél a reakciónál [A] koncentrációjának növelése robbanáshoz vezethet [B] koncentrációjának növelésével a reakció lassulását lehet elérni, [C] koncentrációja nem befolyásolja a reakciósebességet

Kémiai reakciók hőmérséklet függése Növekvő hőmérséklet a reakciósebesség növekedését eredményezi A szobahőmérsékleten lejátszódó reakciók sebessége 1,5-3 szorosára nő, ha a hőfokot 10 °C-al megemeljük Reakciósebesség hőmérséklet függése (Arrhenius féle empírikus egyenlet) A reakciók gyorsítására T növelése nem mindig megfelelő pl. az energia igény miatt Katalizátor alkalmazásával viszont gyorsíthatjuk a reakciót hőmérséklet emelés nélkül

Légszennyező anyagok képződése a belsőégésű motorokban Szén - monoxid 2C +O 2 = 2CO v 1 C +O 2 = CO 2 2CO +O 2 = 2CO 2 v 2 V 1 >> V 2 Ha nincs elegendő oxigén vagy kicsi tartózkodási idő sok lesz a füstgáz szén-monoxid tartalma Nitrogén-oxid N 2 +O 2 = 2NO Endoterm reakció, ezért n = 1-nél képződési maximum C Szénhidrogének x H y +O 2 -- > CO 2 + H 2 O C x H y +O 2 -- > szénváz + H 2 O szénváz + O 2 --- > CO majd CO 2 Ha nincs elegendő oxigén vagy kicsi tartózkodási idő sok lesz a füstgáz szénhidrogén tartalma

Kisebb tűztér több légszennyező

• •

Oka: az úgynevezett falhatás. A falhoz közel a hőleadás miatt kisebb a hőmérséklet, így lassabb a reakciósebesség, pl.: szén-monoxid átalakulás széndioxiddá



A hőleadó felületek változásával magyarázható, hogy a kisebb tűzterű kazánok sokkal több szénhidrogént, szénmonoxidot és kormot emittálnak,

Hidegebb fal lassítja az oxidáció sebességét és a dugattyú hamarabb tolja ki a

felület – tűztér viszony.

Gépkocsi katalizátor Légszennyező anyag képződés a belsőégésű motorokban Légfelesleg tényező = Betáplált levegő mennyisége _____________________________________ Elméletileg szükséges levegő mennyisége n < 1 léghiány n > 1 levegő többlet

Hármas hatású katalizátor

ebben a tartományban még elfogadható sebességgel zajlik az oxidáció és a redukció redukció oxidáció

Pt : platina katalizátor Pd: palládium katalizátor

Hármas hatású katalizátor

A keramiatest csöveinek belső falára viszik fel a katalizátort.

Hármas hatású katalizátor

Példa az igen gyors kémiai reakciókra Légzsák: 2 NaN 3 = 2 Na + 3 N 2 a fém nátrium gyúlékony !

10 Na + 2 KNO 3 = K 2 O + 5 Na 2 O + N 2 a Na 2 O és K 2 O vakságot okoz K 2 O + Na 2 O + SiO 2 ----- > alkáli - szilikátok nem veszélyes Tehát a légzsákot a nátrium - azid, kálium - nitrát, - szilicium – dioxid keverékéből elektromos gyújtás hatására beinduló kémiai reakció során képződő nitrogén fújja fel

t= 20 C Ecetsav 5% lassú Keverni is kell, mert a koncentráció a felületen csökken !

t= 80 C ( k nő ) lassú t= 20 C lassú Ecetsav 20% [A] nő t= 80 C ( k nő ) lassú t= 20 C lassú Sósav 10% ( anyag váltás k nő ) t= 80 C ( k nő ) negatív katalizátor negatív katalizátor ( k lassul ) vas oldódására 2CH 3 COOH + CaCO 3 = Ca(CH 3 COO) 2 + H 2 O + CO 2 gyors, de oldódik a vas gyors, de a vas oldódása lassú v= k[A] a [B] b

Homeopátiás gyógyszerek ?

Elve: A hatóanyagot olyan mértékben kell hígítani pl.: vízzel, hogy a kész „gyógyszerben” már csak néhány molekula legyen. A vízmolekulák majd emlékeznek !!??

a hatóanyagra és így fejtik ki gyógyító hatásukat. v = k [A] a ● [B] b ● [C] c Ha [A] azaz a hatóanyag koncentrációja tart a nullához a „v” reakciósebesség, azaz a gyógyulásért felelős kémiai reakció sebessége is tart a nullához.

A készítmény hatóanyaga: 0,01 ml Anas Barbariae hepatis et cordis extractum 200K 1 g pelletben műanyag tartályonként. 200 K (Korsakov hígítás) = 10 400 1 K = 10 2 hígítás hígítás